Исследование цифрового вольтметра

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Теоретический вопрос 2.3. Цифровой вольтметр поразрядного уравновешивания: схема, принцип действия, погрешности

цифровой вольтметр частота погрешность

Цифровые вольтметры могут быть построены с преобразованием измеряемой величины напряжения в код по методу уравновешивания. Сущность этого метода заключается в последовательном сравнении измеряемого напряжения с суммой образцовых напряжений, изменяющимся по известному закону. Таким законом может служить закон последовательного расположения разрядов в двоичной системе. Суть измерения этим методом достаточно наглядно можно пояснить на примере (рис. 2.3.1 б).

Предположим, что мы имеем набор образцовых напряжений, величины которых в вольтах соответствуют разрядам двоичной системы счисления 2⁰, 2¹, 2², 2³, 2⁴, 2⁵ и т.д. В десятичном счислении в виде 1, 2, 4, 8, 16, 32 и т.д. Допустим, что мы хотим измерить напряжение 25 В для чего будем сравнивать это напряжение с образцовым. Сравнение начнем с наибольшей величины образцового напряжения 32 В, произведя сравнение, видим, что 32 > 25, образцовое напряжение снимаем, записав в этом разряде 0, и приводим сравнение с величиной низшего разряда 16 В. Из сравнения видно, что 16 < 25, следовательно, это образцовое напряжение оставляем; в разряде соответствующем 2⁴, ставим 1. Затем к 16 добавим 8 и вновь произведем сравнение, из которого видим, что 16+ 8 < 25. Следовательно, сохраняем единицу этого разряда и в нашей записи ставим 1 в разряде, соответствующем 2³. Вновь добавляем к сумме 16 + 8 величину более низкого разряда 4 и приводим сравнение. Так как 16+ 8+ 4 > 25, то единицу этого разряда снимаем и в графе, соответствующей этому разряду, пишем 0. Проводя это сравнение подобным образом дальше, получим число 011001, которое в двоичной системе исчисления соответствует 25, т.е. измеряемой величине напряжения. Нетрудно увидеть, что этот метод аналогичен методу уравновешивания на рычажных весах, что и дало название методу измерения напряжения цифровым вольтметром. Для проведения измерений методом уравновешивания цифровые вольтметры строятся по функциональной схеме, изображенной на рис. 2.3.1. Измеряемое постоянное напряжение поступает на входное устройство, выполняющее функции, аналогичные функциям входного устройства цифрового вольтметра описанного выше. Но измеряемое напряжение сравнивается не с линейным или ступенчатым напряжением с выхода преобразователя “код - аналог”, а с набором эталонных напряжений изменяющихся в двоичном коде.

Рисунок 2.3.1. Структурная схема цифрового вольтметра с поразрядным уравновешиванием а - структурная схема; б - временные диаграммы

На блок «сравнивающее устройство» поступают два напряжения: с выхода входного устройства и блока образцовых напряжений. Обычно в качестве сравнивающего устройства используют дифференциальные фазочувствительные усилители. Блок образцовых напряжений состоит из набора эталонных элементов, или из цепочки резисторов, выполняющих роль делителей напряжений источника стабильного напряжения по требуемому закону. Сравнение происходит дискретно во времени.

Управляющее устройство задает принудительный режим работы, посылая импульсы в блок делителя напряжений. Эти импульсы подключают напряжения, соответствующие разрядам кода в заданной последовательности. Если образцовое напряжение или их сумма превышают измеряемое напряжение, то управляющее устройство посылает сигнал в блок делителя напряжений, снимающий образцовое напряжение в данном разряде. Оставшиеся включенными в момент равновесия образцовые напряжения дают величину измеряемого напряжения в коде, фиксированном счетчиком. Этот код вводится в устройство дешифратора, преобразующее код в число в десятичной системе счисления, соответствующее измеряемому напряжению. Это число появляется на цифровом табло, расположенном на передней панели прибора. Погрешность квантования составит один младший разряд эталонного напряжения.

Теоретический вопрос 12.4. Метод измерения фазы с преобразованием частоты: схема, принцип действия

В основе данного метода измерения фазового сдвига лежит гетеродинное преобразование частоты.

Гетеродинное преобразование частоты исследуемых сигналов используется для расширения диапазона частот, в котором измеряются фазовые сдвиги.

Структурная схема фазометра с гетеродинным преобразованием частоты приведена на рис. 12.4.1.

Предположим, что через входные цепи (ВЦ₁ и ВЦ₂) на смесители (СМ₁ и СМ₂) гетеродинного преобразователя частоты (Г) поступают соответственно сигналы и , имеющие друг относительно друга фазовый сдвиг , и гармоническое напряжение гетеродина .

В результате на смеситель СМ₁ воздействуют напряжение на вход и импульсы от гетеродинного преобразователя частоты т.е. ( + ), а на смеситель СМ₂ - ( + ). На выходе каждого из смесителей (относящихся к нелинейным или параметрическим каскадам) появляются колебания с суммарными разностными и комбинационными частотами, составленными из частот анализируемых входных сигналов и напряжения гетеродина.

Рисунок 12.4.1. Фазометр с гетеродинным преобразованием частоты

Колебания с разностной частотой , называемой промежуточной частотой, поступают на усилители промежуточной частоты (УПЧ1 и УПЧ₂) каждого канала. Если в фазометре с гетеродинным преобразованием частоты каскады ВЦ₁ и ВЦ₂, СМ₁ и СМ₂, УПЧ₁ и УПЧ₂ идентичны, то выходные сигналы усилителей промежуточной частоты и после несложных преобразований можно представить следующим образом:

В этих формулах представляет собой постоянный коэффициент, характеризующий эффект преобразования сигналов.

Из выражений (12.4.1) и (12.4.2) следует, что фазовый сдвиг сигналов на выходах УПЧ равен фазовому сдвигу исследуемых сигналов и . Сигналы и поступают на низкочастотный фазометр (НЧ-фазометр), измеряющий фазовый сдвиг на промежуточной частоте. Чтобы проводить измерения в широком спектральном диапазоне сигналов и применяют гетеродин с перестраиваемой частотой.

В настоящее время существуют фазометры с гетеродинным преобразованием частоты, работающие, например, в диапазоне от 20 Гц до 20 МГц, а также в диапазоне СВЧ от 0,1 до 15 ГГц.

Фазометры с умножением частоты применяются для измерения малых фазовых сдвигов. В фазометре используются два одинаковых умножителя, на один из которых подастся сигнал , а на другой - . Если эти сигналы имеют фазовый сдвиг , то после умножения их частоты в раз фазовый сдвиг увеличивается и становится равным . Такой фазовый сдвиг можно измерить с меньшей погрешностью:

Фазометры с умножением частоты могут иметь дополнительную погрешность измерения, вызванную усилением влияния посторонних шумов. Такие шумы, поступая на оба умножителя вместе с сигналами и , вызывают случайные отклонения фазы каждого из этих сигналов. Чем больше коэффициент умножения п, тем больше флуктуации фаз сигналов на выходе умножителей и больше погрешность измерения. Наличие систематической погрешности измерения связано с неидентичностью фазовых характеристик обоих умножителей. Эту погрешность можно существенно снизить, если подать на каждый умножитель частоты один и тот же сигнал (например, ). Показания фазометра, взятые с обратным знаком, следует использовать в качестве поправки для последующих измерений.

Задача 16.2

Измерение индуктивности катушки осуществляется контурным методом. Рассчитать случайную погрешность косвенного измерения индуктивности, если значения случайной погрешности измерения частоты и емкости соответственно равны =1%, =2% , и не коррелированны.

Решение

Находим абсолютную случайную погрешность косвенного измерения индуктивности катушки:

где и - частные производные от выражения по аргументам соответственно f и С ;

и - абсолютные случайные погрешности косвенного измерения соответственно f и С:

где и - относительные случайные погрешности косвенного измерения f и С;

Тогда

Далее находим случайную относительную погрешность косвенного измерения индуктивности катушки:

Список использованных источников

1. Боридько С.И., Дементьев Н.В., Тихонов Б.Н., Ходжаев И.А. Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах. - М.: Горячая линия - Телеком, 2007.

2. Метрология и радиоизмерения. /под ред. проф. В.И. Нефедова. - М.: Высшая школа, 2006.

3. Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах. /под ред. проф. В.И. Нефедова. - М.: Высшая школа, 2001.

4. Мирский Г.Я. Электронные измерения. - М.: Радио и связь, 1986

Размещено на Allbest.ru